苏州纳微科技有限公司

资讯中心 / News

当前位置: 网站首页 -

微球世界

浏览次数: 日期:2018-10-26 10:26:42

什么是微球?

 

       微球是直径在纳米和微米尺度范围的球型粒子。球形物体是自然界存在最稳定的物质形态,它是三维几何空间理想的对称体,也是单位体积中所有立体形态中面积最小的。自然界大到星球如地球,小到篮球,乒乓球,玻璃珠等都是球体。 地球直径是1.28万千米,而篮球直径是0.25米,1纳米等于十亿分之一米,相当于一根头发丝横切面的六万分之一,如果拿纳米的微球与篮球相比,就相当于篮球与地球之比例。 如此之小的纳米微球材料却是现代产业发展的重要基础。

 

 

图1.光学显微镜下的微球

 

微球的重要性

 

       前段时间科技日报总编刘亚东列出包括芯片,飞机发动机等在内的35项中国给人卡脖子的技术,其中微球材料也是其中之一。大多数人可能很容易理解芯片和飞机发动机的技术难度及其重要性,但很少人可以理解微球为什么也这么重要这么难做。
       我们所熟知的宏观球体如篮球,乒乓球,玻璃珠是如此之普通,而微球只不过是把这些球体做到足够“小”而已,为什么中国这么大的一个国家却做不了。其实很多技术的难度都是因为“小”造成的。芯片之所以难做就是因为里面的结构要精准控制到纳米尺寸。乒乓球可以很容易通过模具做出来,而要把乒乓球做到纳米和微米范围的尺度其实难度是很大的。在微观尺度下,大家习以为常的宏观工具和制作技术已完全不适用,需要全新的技术手段,使得宏观很容易的事情在微观变成高不可攀的技术难题。当然也正是因为小,让微球材料性能得到大幅度的提升,比如说微球表面效应和体积效应,一个乒乓球直径40毫米,重量2-3克。如果把乒乓球做到直径40纳米微球,由于1毫米是106纳米,因此一个普通乒乓球就可以做出1018个直径40纳米微球。其表面积有5000多平米,相当与5个足球场大小,同样重量的40纳米微球与40毫米乒乓球相比表面积增加了1012倍,因此纳米微球表面吸附能力也增加了1012倍。当尺寸变小,表面吸附能力大幅度增加还是一个物理量变的过程,而某些物质小到一定程度时,其性能还会出现质的变化。比如说量子点就是有一类物质当尺寸小到纳米尺度时,这些物质就会发生质的变化,由原本不发光的物质变成会发光的物质,而且发光的颜色或波长与尺寸还有关系。因此只要控制这些物质的尺寸就可以控制这类物质的发光波长。材质不变,只依靠尺寸的变化就可以改变其性能的巨大变化就是纳米技术领域兴起的重要原因之一。另外一个案例也可以说明这个问题。一个普通塑料(聚苯乙烯)组成的微球,当其尺寸与光的波长相当时,且这些微球粒径分布足够均匀时,这些微球就容易堆积成有序结构的材料,使得本身无色的聚苯乙烯塑料微球变成五颜六色的材料。这种现象在自然界中其实早就存在,如五颜六色的蝴蝶翅膀就是由纳米粒子组成的有序结构。因此人类技术的进步往往是由于科学家对微观世界有更深人的理解和掌控。
       微球材料属于纳米技术领域,虽然不是目前科研院所的研究热点,但却是生物制药,电子信息,医疗器械,国防军工等现代产业发展基础。可以这么说,没有微球材料技术就无法生产出用于治疗癌症的生物药,没有微球也无法生产手机电脑用液晶显示屏。纳米微球所具有的小尺寸效应、表面效应、极其优异的光、电、磁、力学、机械等性能而被广泛地用于现代工业生产中, 也是当今和未来高技术和新兴产业发展的重要基础。

 

 

图二.  科技日报总编刘亚东提出35项卡脖子技术

 

微球的国内外发展状况

 

       纳米微球的精确制备和应用是当今世界前沿、交叉的新兴学科,涵盖了材料、高分子、有机、分析、生物技术、医药工程、电子等众多领域。纳微米球材料的性能取决于微球基质组成,粒径大小和分布,形态,表面功能基团等。
       随着21世纪电子信息、生物制药、能源、环境和国防的高速发展,对纳米微球材料的性能和制备技术也提出了越来越高的要求,包括对纳微米粒子大小的精确性、粒径分布的均一性、形态、孔道结构的精确调控,以及材料的组成、表面功能化的控制等等。粒径、形态、结构、材料组成可精确调控的高性能纳微米球材料是电子信息、生物制药、能源、国防等产业的核心材料。掌握了这些核心材料往往也就控制了战略性新兴产业的制高点。因此欧美日等发达国家都从战略的高度投入了大量人力物力,致力于高性能纳微米材料的研制,以求占有核心产业的控制权。我国在纳米科技领域的研究虽然起步较早,基础研究也取得了很好的成绩,如我国在纳米技术领域发表的文章数量已多年位居世界第一,但我国在纳米微球的应用和产业化研究却严重滞后,因此国内科研院所的研就成果往往只能停留在实验室阶段无法成功地产业化。目前几乎所有高性能,高附加值纳米微球材料都由国外垄断,如用于液晶显示的间隔微球,导电金球,光扩散微球基本由日本垄断,而用于生物制药的分离纯化介质微球,用于分析检测的色谱柱硅胶填料微球, 则由欧美垄断。

 

纳米微球的关键产业化技术

 

       如何精确控制和大规模化生产裸眼看不到的纳米微球并赋予这些材料的功能,以满足现代产业的需求是当今纳米材料科学家最重要的研究方向。纳米微球的关键技术问题和研究方向如下:
      
1) 纳米微球粒径大小及粒径分布精确控制关键技术:
       纳米微球的应用非常广泛,不同的应用需要不同性能的微球,很多高端应用都对微球的粒径大小和均一性都有极高的要求,如液晶间隔物微球和导电金球都要求能精确控制粒径大小(平均粒径精度控制在50纳米以下),粒径分布满足变异系数小于3%,. 因此不同材料组成的纳米微球的精确粒径大小和分布本领域首要解决的关键技术问题

 

 

单分散微球

 

       2) 纳米微球的孔径大小,孔径分布和比表面精确调控关键技术:
       在很多应用领域,不仅要严格控制微球材料、粒径大小、分布和机械强度,还要调控微球的比表面积、孔道结构等,如用于生物分离和分析的微球介质和色谱填料,微球粒径大小、均一性、纳米孔道结构都会影响生物分子分离和分析效果,因此如何调控微球孔道结构,比表面积也是关键技术之一。

 

多孔结构的二氧化硅微球

 

       3) 纳米微米球表面改性和功能化技术:
       不同的应用需要不同的表面功能基团,如用于诊断的荧光和磁性微球一般都需要有表面活性基团,使得抗体及生物分子可以链接到微球表面.因此微球表面功能化或改性以满足不同应用领域的需求是一重要技术问题.
      
4) 纳米微球规模化生产工艺技术:
       很多科研院所开发出的纳米微球合成方法都只能局限于实验室的制备,一旦放大生产就往往重复不出来,因此技术无法转化成产品。如何解决从实验室到大规模化生产的工程转化也是关键问题之一。
最后,微球应用开发牵涉到很多交叉领域的技术,需要不同领域的专家紧密合作才能开发不同领域应用的微球产品。

 

纳米微球的应用领域

 

       纳米微球的应用极其广泛,几乎渗透到所有的产业:无论是新医药,平板显示,食品安全检测,医疗诊断,还是水处理,节能环保,石油化工,国防安全等都离不开先进纳微米球材料。
      
在制药领域: 纳米孔道结构的微球材料具有极高的比表面积(1克微球材料的比表面积相当于一个足球场的面积),因此具有极强的吸附性能,如果在微球表面键合特殊功能基团使它可以选择性吸附某些物质,这一特性使得纳米微球材料成为所有生物药和天然药分离纯化过程中不可缺少的材料,另外气相和液相色谱是当今医药分析检测最常用的方法,而色谱核心的材料就是微球材料。在药物制剂领域,微球也是理想的药物缓控释的载体,当有效组份负载在空心或多孔的纳米微球载体中可以使药物在人体里缓慢释放,以减小药物的毒负作用,增加药物的有效性。由磁性材料组成的多孔微球可作为靶向释药系统的载体,在外加磁场的作用下,将药物载至预定区域,可使免疫磁性微球上的抗癌药物更易与癌细胞接触,提高了杀伤癌细胞的效果。

 

 

 

       在平板显示领域: 单分散、粒径高度均一的微球材料可以作为间隔物用于控制液晶盒厚,起到支撑上下基板的作用;导电微球均匀分布在热固化性树脂中形成各向异性导电膜(ACF)则是连接芯片和面板的关键材料;把光扩散微球涂到光学膜的表面或均匀地分散在基板中,可以将点光源变成面光源,则是背光源膜组的重要部件。

 

 

液晶间隔物微球

 

 

导电金球在微电子的应用

 

       在食品安全检测领域:微球由于有极高的比表面积和特殊的表面基团使得微球具有选择性吸附功能,因此特殊功能化的多孔的微球可以把牛奶里的的三聚氰胺,蔬菜里农药残留,血液的有害物质象大海捞针一样把极其微量的有害物质捕获出来。使我们能精确检测到这些有害物质的含量。

 

 

微球用于样品前处理

 

       谱分析检测领域:高效液相色谱(HPLC/UPLC)是药品、食品、石油、环境、化工等最常用检测技术,色谱柱是色谱系统的心脏,内含填充在柱内的色谱填料,是各种HPLC分离模式赖以建立和发展的基础。

 

 

微球是色谱系统心脏

 

       LED照明领域:在LED芯片或封装材料里加入纳微米球不仅可以大幅度提高LED发光效率,并增加光的柔和性保护人的眼睛。

 

 

       妆品领域: 在化妆品里添加微球不仅可以增加手感和抗紫外功能,还可遮盖皮肤的缺陷,延长有效成分的稳定性,增加皮肤的美感。微球由于有光散射作用起了视觉淡化效应, 使模皮肤看上去紧致与自然。空心球还可以作为活性物载体,缓释活性有效成分,吸收皮肤分泌的油脂。

 

微球常用于化妆品的添加剂

 

       在水处理领域:功能性的微球可以除去水里有机杂质和金属离子成分,可制备用在半导体工业,医药,核工业等的超纯水,也可用于净化日常饮用水。水为人类洗涤了污秽,微球却可以铲除水里的污秽,到达净化水的目的。

 

 

功能性微球用于半导体工业超纯水的制备 (左)
用于核电站冷却水去除腐蚀性物质(右)

 

       在血液净化领域:微球可以替代肾脏用来去除血液有毒物质,治疗和延长病人寿命。微球是制造人工肾的关键材料。

 

 

微球用于血液灌流选择性除去血液里有害物质

 

       在计量领域:粒径高度均一的微球可以作为标准颗粒用于精确测量常规尺子无法计量的纳米尺寸的物质,标准颗粒作为计量工具也可用于矫正精密计量仪器。

 

 

微球作为标准颗粒用于计量检测

 

        在医疗诊断领域:功能化微球如磁性微球,多色荧光编码微球可广泛地应用于免疫分析,进行多样品或多标靶的高通量检测。由于微球的使用,使我们可以更快速,方便地进行疾病检测和诊断。

 

 

荧光编码微球用于高通量检测

 

       在免疫检测领域:微球还可用于免疫学检测,比如细菌、螺旋体和红细胞等颗粒抗原,在适当电解质参与下可直接与偶联抗体的微球结合,出现凝集,称为凝集反应(agglutination)。

 

 

微球聚集反应用于免疫检测

 

       在生物技术领域:微球由于具有极高的表面积并且容易分散在培养液中,因此在动物细胞培养上,微球作为动物细胞载体能够提供大量的比表面积让细胞在其表面生产,微球作为动物细胞培养的载体,能够在有限的空间实现细胞的高密度培养,而且控制简单,生产重复性好。

 

 

       在治疗领域:微球作为栓塞,可以阻断对靶区的血和营养供应,使靶区的肿瘤细胞因为缺血而坏死,还可根据需要,让微球搭载抗肿瘤药物,从而实现栓塞和靶向治疗的双重作用。

 

 

栓塞剂微球阻断了靶区的血和营养供应

 

        在药物靶向制剂领域:磁性载药微球是恶性肿瘤热化疗的一种新策略,其优势为结合化疗和热疗(如细胞内热疗),具有高度靶向性和特异性等。磁性载药微球由铁氧化物和水溶性抗肿瘤药物组成,它可在交变磁场下发热,从而实现热疗和化疗的协同治疗,使肿瘤体积减小,甚至消失。

 

 

磁性微球用于靶向药物输送

 

       在酶催化领域:微球作为酶固定的载体可以保持酶的高度专一性和催化效率;提高酶的稳定性和寿命;减小酶对产品的污染;实现生产连续化和酶的循环使用。微球也可以用于催化剂的载体使得催化剂易于回收使用。

 

 

微球用于酶固定化载体

 

       在化学催化领域:纳米磁性微球作为催化载体,由于粒径小,比表面积高,催化效率高,催化结束后可以在外界磁场作用下快速回收催化剂,使得催化剂可以重复适用,并且简化目标产品的纯化,提高产品纯度。

 

 

纳米磁珠固载Grubbs 催化剂

 

       在多肽药物合成领域:1963年,诺贝尔化学 获得者Merrifield首次提出了固相多肽合成方法(SPPS)后,以微球为载体的固相合成方法因其方便迅速和纯度高而成为多肽药物首选方法

 

 

固相合成多肽药物示意图

 

       在化工领域:微球已广泛地添加到油漆、涂料、造纸、塑料以改善产品的抗刮性,提高产品的耐磨性,及光学性能。
        总之纳米微球材料应用非常广泛,几乎渗透到所有的领域,纳米材料科学家不断地开发出新技术来赋予纳米微球新的光,电,磁,等各种功能, 使它为人类创造无限可能,以满足现代产业关键材料和技术的需求。

 

  • 生物制药领域: 全球生物药发展瓶颈-分离纯化微球介质。
     
  • 平板显示行业: 微球是LCD关键材料: SPACER、光扩散剂和ACF导电粒子
     
  • 食品检测:农药残留,食品成分分析检测关键技术在于色谱柱及SPE微球填料。
     
  • 水处理:用于核工业、半导体、制药行业的超纯水处理。
     
  • 医疗诊断:微球诊断技术应用最广和发展最快的平台技术。
     
  • 农业:杀虫剂、除草剂的缓控释载体,可有效控制药物的释放,降低污染
     
  • 国防安全:防生化武器、吸波材料
     
  • 医药制剂:微球可作为药物的载体和辅料,起到药物控释、矫味,稳定和降低毒副作用
     
  • 化妆品:抗紫外、增加质感,增加有效成分的缓释和稳定
     
  • 生物技术: 微球用于酶固定, 基因筛选,细胞载体
     
  • 医疗器械:微球可以除掉血液里有毒物-血液透析
     
  • 标准计量:纳微米球标准颗粒可用于各种仪器的矫正及测量
     
  • 科学研究
     
  • 更多的应用领域……….

跨领域创新突破微球产业化技术壁垒

 

       纳微经过十多年坚持不懈的努力,通过跨领域的创新,攻克了多项微球制备技术的世界难题,开发出颠覆性微球精准制造技术。不仅填补国内空白,也为世界先进微球材料进步做出贡献。在多个微球应用领域做到世界第一。

 

  • 全球首个开发出单分散硅胶色谱填料微球的规模化制备技术并实现商业化,建成世界唯一一条年产20吨单分散硅胶色谱填料微球生产线
     
  • 世界上提供最多品种规格的单分散聚合物色谱填料微球,无论是粒径,孔径,材质组成的选择范围都是世界之最。建成世界上首个年产百吨单分散聚合物色谱填料的生产线
     
  • 世界上首个提供单分散固相萃取填料用于食品安全检测,
     
  • 全球首个生产单分散聚丙烯酸酯微球为基质的离子交换,疏水和亲和层析介质用于蛋白和抗体分离纯化
     
  • 世界上唯一一家公司同时拥有单分散硅胶和聚合物色谱填料的公司
     
  • 世界唯一一家具备同时生产聚合物和二氧化硅Spacer微球的公司
     
  • 世界上唯一一家公司同时生产生物制药用单分散色谱填料微球和光电显示用Spacer 微球。

 

       在生物制药领域:高效分离介质微球是生物制药分离纯化核心材料,长期由美国GE公司垄断. 纳微开发出硅胶和聚合物两种性能互补的高效分离介质微球,并成功出口到欧、美、韩国等大型药企,改变了中国单向进口色谱填料的被动局面。 纳微科技不仅是全球极少数具备规模化生产单分散聚合物色谱填料的公司之一,也是目前全球唯一一家可规模化生产单分散硅胶色谱填料的公司。公司生产的“均粒高效微球分离介质”被评为国家和江苏省高新技术产品。高效纳微生产的分离介质微球不仅打破了欧美对这一关键产品的长期垄断,而且大幅度地降低了中国制药成本,提高了中国药品的质量和纯度,减小了中国药物的毒负作用。纳微的努力和成功不仅提高了中国新医药产业的竞争力和独立性,而且将惠及更广大的中国平民百姓。在新医药领域,纳微还将开发用于药物缓控释的纳微米球载体,使药物更有效,更安全,同时提高药物的口服性。
       在平板显示领域:纳微开发出LCD 间隔物微球、导电金球、光扩散微球等系列产品首次打破了日本积水对这些关键微球材料的长期垄断,并成功地应用于上百家国内外LCD 制造厂。LCD 间隔物微球被评为江苏省高新技术产品。纳微是LCD关键材料成功产业化将极大地提高中国平板显示及微电子行业的竞争力。
       在食品安全领域:固相萃取柱和色谱分析柱是用于食品安全检测的样品前处理及检测的关键耗材。纳微科技率先领导固相萃取技术革命,以世界领先的微球制备和表面功能化技术开发出一系列高效固相萃取填料(柱) 和色谱分析柱,是全球唯一能提供单分散性固相萃取填料的公司,也是全球唯一拥有大规模制备单分散硅球色谱填料的公司。纳微是中国唯一有自主知识产权且能规模化生产色谱填料的公司。纳微的产品已广泛用于环境污染,食品农药残留物,医药,化工,商检的样品分析和检测。
       在节能环保领域:纳微开发的微球产品已用于LED照明,可以把LED发光效率提高40%,用于LED分装可以增加光的柔和性,增加光的透光率。纳微是全球唯一一家可以同时提供有机硅,PMMA,聚苯乙烯(PS)或 PMMA/PS 共聚物高效光扩散微球,分别打破了日本信越,日本积水对有机硅和聚合物光扩散微球的垄断。纳微的微球产品已成功地应用于节能环保的调光玻璃,重金属的回收及污水的处理。
       在标准计量领域:纳微科技已开发出上千种NIST(美国国家标准局)可溯源精确尺度计量标准微粒。纳微科技将很快成为世界上能够提供最多规格且是中国唯一能出口标准颗粒物质的企业.纳微科技已与中国计量科学研究院合作,共同开发微纳米测量系统,这将对我国发展纳米材料科学起着重要的作用。
       在生命科学领域: 纳微已开发出粒径范围从纳米到微米级各种规格磁性球形颗粒(磁珠)。这些磁珠可广泛应用于生命科学领域如核酸, 抗体, 细胞的分离和检测。磁性纳米微球也被用作靶向释药载体,可大幅度提高药物的疗效并降低药物的毒负作用.
       在催化领域:纳微开发的纳米磁性微球可用于酶和催化剂载体, 由于纳米级磁性微球具有极高的比表面积和超顺磁性能,在外界磁场作用下可以达到快速分离和回收催化剂目的,在无磁场条件下又可以达到快速分散的目的,使得催化剂可以多次重复使用,降低使用成本并提高目标产品的纯度。
       在环保领域:纳微开发出高比表面积多孔碳化微球, 与市场上使用的活性碳吸附材料相比对空气中的有毒物质具有更高效吸附性能和更宽的使用条件,市场上的活性炭在潮湿空气中会很快失去吸附能力,而多孔碳化微球却能保持很好的吸附性能。
       纳微科技秉持“以创新赢尊重得未来”的理念,凭借持续不断的创新,成为全球纳米微球技术的领跑者, 并将微球的应用不断地拓展到其它领域如医疗诊断、日用化妆品、 LED 照明、水处理、药物缓控释、农药缓释、酶固定载体、电磁波屏蔽、航空航天等。 纳微科技的使命就是通过创新来赋予纳米微球新的光,电,磁,等各种功能, 使它为人类创造无限可能,并满足现代产业关键材料和技术的需求。
       纳微坚信创新是社会进步的源动力,相信通过集合化学,材料,生物和电子等交叉技术于一体的跨领域的创新及广泛地合作,可以更好地控制和应用先进微球材料以满足现代生物制药,信息产业,食品安全检测,医疗诊断,节能环保等领域日益发展的需求!

 

 

       苏州纳微科技股份有限公司已在苏州工业园区纳米城建成13000平米现代化的微球研发中心及生产基地。为了满足市场需求及保证产品的供应,公司又在常熟新材料产业园建20000平米大规模生产基地。

 

纳微系列高性能纳米微球产品

 

 

不同粒径大小的单分散微球

 

 

不同结构的单分散微球

 

 

作者简介

 

 

       江必旺博士是国家千人计划特聘专家, 苏州纳微科技股份有限公司创始人,获北京大学化学系学士,State University of New York at Binghamton 博士,University of California at Berkeley 博士后, 被美国Rohm and Haas 聘为Senior Scientist。 回国后创建了北京大学深圳研究生院纳微米材料研究中心并任该中心主任, 目前中心已被评为深圳市重点实验室和广东省纳微米材料重点实验室。 于2007年,江博士创建了苏州纳微科技有限公司。先后被评为国家千人计划、科技部创新创业人才,江苏省创业创新人才、姑苏领军人才、苏州工业园区领军人才; 荣获中国侨界创新贡献奖、江苏省五一劳动奖章、江苏省科技进步奖,苏州市科技进步奖、苏州市十佳魅力科技人物等。申请国内外发明专利50多项,发表SCI 文章30篇。 
 

所属类别: 纳微新闻

该资讯的关键词为:

苏州纳微科技有限公司
在线客服